恒轉矩與恒功率控制對漂浮式風力機性能的影響

謝雙義，金 鑫，陳 佳

(1. 重慶公共運輸職業學院， 重 慶 402247; 2. 重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重 慶 400030;3.重慶市水文水資源勘測局，重 慶 401147)

世界上許多國家都把不可再生能源作為主要的能量來源，如煤炭、石油、天然氣、核能等，然而燃燒化石燃料會對環境造成污染，且儲量畢竟有限。而可再生能源，比如風能，綠色無污染，而且取之不盡，用之不竭。陸上風力發電的使用已有超過10年的歷史，且已成為世界上增長最快的能源[1],其技術發展也相應比較成熟。相比于陸上風力發電來說，采用海上風力發電的優點主要有[2-3]：1)風資源更豐富且風力大小更均勻，相比于陸地上的風來說其湍流強度和風剪效應較小；2)如果能在靠近海岸線的地方制造，海上風力機尺寸的大小不受制于鐵路或公路運輸；3)如果風力機安裝在距海岸線足夠遠的地方，則可以不用考慮風力機帶來的視覺和噪聲方面的干擾；4)由于海域遼闊，海上風力機不會占用陸地空間且不會與其他需占用陸地空間的項目沖突。

既然海上風力發電有如此多的優點，研究海上風力機的控制策略也就成為了重點。海上風力機的支撐平臺多采用漂浮式結構[2-3]，其阻尼相對于陸上風力機來說要小，因此，當風力機位于額定風速以上時，采用何種控制策略就變得很重要。對陸上風力機的恒功率和恒轉矩控制策略效果的對比，A. D. Wright 等[4]進行過研究，但對于海上漂浮式風力機的恒功率和恒轉矩控制策略的效果對比，鮮有學者進行過研究，尤其是分別對3種不同漂浮式結構的風力機來說研究者更少。基于此，本文分別采用恒轉矩和恒功率控制策略對3種形式的漂浮式風力機性能進行研究。

1 漂浮式風力機模型

在中國的海岸線上，水深超過30 m的地方蘊藏著大量的風能。當水深由淺入深時，風力機的基礎結構逐漸由固定式轉為漂浮式，如圖1[5]所示。在沒有進行動力學分析的情況下，Musial等[6]已經證明了漂浮式平臺設計的經濟潛力。漂浮式的支撐結構可以設計成多種結構，比如可以設計成單柱式、張力腿式以及駁船式，如圖2所示。對于單柱式支撐結構，可以使用繩纜使其固定，并用壓倉物使其質心低于浮心，從而保持穩定；對于張力腿式支撐結構，可以通過箱體的浮力以及纜繩的張力來使其保持穩定；而對于駁船式支撐結構，可以通過纜繩使其固定，并通過與其接觸的水面區域來達到穩定[7]。

圖1 風力機基礎結構隨水深增加時的設計變化

圖2 3種漂浮式平臺

2 漂浮式支撐結構動力學模型

漂浮式支撐結構一般可分為2部分：支撐風力機主要部件的漂浮式平臺以及由纜繩組成的系泊系統。

2.1 漂浮式平臺的動力學模型

漂浮式平臺的動力學問題可分成3部分考慮[8-9]：輻射問題，可用式(1)表示；繞射問題，可用式(2)表示；水靜力學問題，可用式(3)表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 系泊系統力學模型

系泊系統主要用來抑制波浪、風以及洋流等外部力對漂浮式平臺的作用，從而使其保持穩定。假設系泊系統是線性的[8-11]，則纜繩的力學表達式可以寫為

(5)

3 風力機運行區域劃分

變速變槳風力機的運行區間一般可劃分為5個部分[12-14]，如圖3所示。

圖3 變速變槳風機的運行控制策略

當風速太小時，風力機處于停機狀態，位于區間Ⅰ；當風速達到切入風速時，風力機開始運行在區間Ⅱ；當風速繼續增大時，風力機就會運行在區間Ⅲ上，在此區間內風力機葉輪功率系數達到最優；當風速達到額定值以上時，為了使風力機的電機轉速穩定在額定值，就需要對葉片進行變槳以便降低葉輪捕獲的風功率，此時風力機運行在區間Ⅴ上。從圖中可以知道，區間Ⅴ上有2種控制方法：一種是恒轉矩控制，即在控制時將電機轉矩需求設為額定值，可用式(6)表示；另一種是恒功率控制，即在控制時電機轉矩需求無論怎樣變化，其與電機轉速的乘積始終等于電機額定功率，可用式(7)表示。

Tdem=Trat；

(6)

Tdem=Prat/ωgen。

(7)

另外，為了保證電機轉矩的平穩過渡，在區域Ⅲ與區域Ⅴ之間有一個過渡區域，此區域的斜率與電機滑差率有關[4]。

4 仿真結果

文中所研究的漂浮式風力機為美國可再生能源實驗室(NREL)提供的5 MW風力機組，輪轂高度為90 m，葉輪直徑126 m，額定風速為11.4 m·s-1。3種漂浮式風力機變槳比例積分(PI)參數如表1所示。

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表1 3種漂浮式風力機變槳PI參數

FAST軟件是美國可再生能源實驗室(national renewable energy laboratory, NREL)研發的一款用于風機性能和載荷計算的綜合軟件。通過在FAST軟件中進行建模并進行仿真，外部激勵風采用18 m/s的湍流風，如圖4所示。海浪有效波高為5 m，海浪峰譜周期為12.4 s，如圖5所示。

圖4 18 m·s-1 的湍流風

圖5 波浪高度隨時間變化的情形

當風速超過額定值時，為防止葉輪轉速超過限定值從而對風力機產生破壞性影響，風力機葉片要進行變槳動作，以降低葉輪從風中吸收的能量，從而保證風力機的安全運行；因此風力機葉片能否正確及時地變槳，對風力機的正常運行至關重要。圖6示出分別使用恒轉矩控制和恒功率控制對3種漂浮式風力機進行仿真時的槳距角對比。

圖6 槳距角在恒轉矩控制和恒功率控制策略下的仿真情況

表2 槳距角在恒轉矩控制和恒功率控制策略下的結果對比

從表2可以看出，在2種控制策略下無論哪種形式的風力機，其葉片槳距角的變化基本一致。

在風力發電機的運行過程中，電功率波動越小對電網的沖擊就越小，就越有利于整個電網的安全；因此在風力的運行控制中要盡可能地降低電功率的波動。圖7示出3種形式風力機的電功率分別在恒轉矩控制和恒功率控制策略下的仿真情況。

圖7 電功率在恒轉矩控制和恒功率控制策略下的仿真情況

參 數單 柱式恒轉矩恒功率張力腿式恒轉矩恒功率駁船式恒轉矩恒功率電功率最大值/kW6 2455 3085 5905 2427 1175 607電功率最小值/kW3 9204 0854 5804 6202 1622 204電功率標準偏差/kW44819314667679309

從表3中可以看出，當采用恒功率控制策略時，無論哪種形式的風力機其電功率輸出都要比采用恒轉矩控制時穩定很多。

對于漂浮式風力機來說，其平臺的運動可以在很大程度上影響風力機的疲勞載荷。漂浮式平臺的運動可分為3種：縱搖、橫搖以及艏搖運動，如圖8所示，但最主要的是縱搖運動[9]。

圖8 漂浮式平臺的運動

圖9示出3種漂浮式平臺的縱搖角在恒轉矩和恒功率控制策略下的仿真情況。

圖9 平臺縱搖角在恒轉矩和恒功率控制策略下的仿真情況

參 數單柱式恒轉矩恒功率張力腿式恒轉矩恒功率駁船式恒轉矩恒功率縱搖角最大值/( )6.156.840.460.4611.4711.090縱搖角最小值/( )-2.73-3.11-0.34-0.34-10.19-9.933縱搖角標準偏差/( )1.401.750.140.143.763.600

圖10表示3種漂浮式風力機塔基處的前后彎矩在恒轉矩和恒功率控制策略下的仿真情況。

圖10 塔基前后彎矩在恒轉矩和恒功率控制策略下的仿真情況

參 數單 柱式恒轉矩恒功率張力腿式恒轉矩恒功率駁船式恒轉矩恒功率塔基前后彎矩最大值/kNm131 900133 900108 200120 700318 300309 400塔基前后彎矩最小值/kNm-73 420-81 340-36 100-38 550-304 200-298 900塔基前后彎矩標準偏差/kNm32 90935 39320 30921 208113 333110 178

從表5可以看出，3種形式的風力機在2種控制策略下其塔基處的前后彎矩變化趨勢基本一致。

5 結論

使用FAST軟件對3種形式的漂浮式風力機處于額定風速以上區間時，分別進行恒轉矩控制和恒功率控制對比研究，重點比較了槳距角、電機轉速、電功率、縱搖角以及塔基處前后彎矩的仿真情況，得到如下結論：

1)對于3種形式的漂浮式風力機，采用恒功率控制策略時其電功率輸出結果要優于恒轉矩控制策略；

2)在2種控制策略下，3種形式風力機的槳距角、電機轉速、塔基處前后彎矩以及平臺的縱搖角的仿真結果基本一致。

因此，如從降低電功率波動方面考慮，采用恒功率控制策略效果要好一些。

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